近日，麻省理工學院(MIT)的研究人員宣布研發了一款利用太赫茲頻段的新型芯片，該芯片作為喚醒接收器，其功耗僅為幾微瓦，能夠在很大程度上支持微型傳感器的有效運行，進一步擴大了物聯網的應用范疇。在筆者看來，這一器件的創新，也在很大程度上成為無源物聯網的(de)(de)一個突破，尤其是支持面(mian)向6G的(de)(de)無源物聯(lian)網場景。
MIT新型接收芯片進一步擴展物聯網應用范圍
在(zai)物(wu)聯(lian)網發展過程(cheng)中，物(wu)聯(lian)網設(she)備小(xiao)(xiao)型(xing)化是產(chan)業發展的(de)(de)一個重(zhong)要方向。物(wu)聯(lian)網需(xu)要服(fu)務(wu)于各(ge)行各(ge)業，由(you)于自(zi)然環境和(he)行業自(zi)身特點(dian)的(de)(de)限制，大量(liang)場(chang)景(jing)(jing)需(xu)要非常(chang)小(xiao)(xiao)型(xing)化、微型(xing)化的(de)(de)傳感器，而(er)這(zhe)些(xie)傳感器往往部(bu)署在(zai)無(wu)(wu)法持(chi)續供(gong)(gong)電(dian)(dian)的(de)(de)場(chang)景(jing)(jing)，需(xu)要小(xiao)(xiao)體積電(dian)(dian)池或外部(bu)環境能量(liang)源(yuan)來供(gong)(gong)電(dian)(dian)。在(zai)這(zhe)種情(qing)況下，超低(di)功(gong)耗的(de)(de)設(she)計就非常(chang)重(zhong)要，尤其(qi)是一些(xie)無(wu)(wu)需(xu)實(shi)時在(zai)線采集數據(ju)的(de)(de)傳感器，在(zai)不工作(zuo)的(de)(de)時段保持(chi)休眠，需(xu)要工作(zuo)時再(zai)由(you)專(zhuan)門的(de)(de)器件“喚醒(xing)”，從而(er)達到節電(dian)(dian)的(de)(de)目(mu)的(de)(de)，超低(di)功(gong)耗的(de)(de)喚醒(xing)芯片就發揮了核心作(zuo)用。
本次MIT研究(jiu)人(ren)員成(cheng)功研發的這(zhe)款(kuan)器件就是一款(kuan)喚(huan)醒的接(jie)收(shou)器，與(yu)微(wei)型(xing)傳感(gan)器集成(cheng)，在接(jie)收(shou)到指令后(hou)喚(huan)醒傳感(gan)器完成(cheng)數據的采集和傳輸(shu)。這(zhe)款(kuan)芯片的特點(dian)包括：
(1)大幅減小器件尺寸，與微型傳感器能夠適配
由(you)(you)于(yu)所使用頻(pin)段(duan)的(de)原因，許(xu)多(duo)常(chang)見(jian)喚醒接(jie)(jie)收器的(de)尺(chi)寸(cun)大多(duo)以厘米(mi)為單位。接(jie)(jie)收器的(de)尺(chi)寸(cun)與通(tong)信的(de)無線(xian)電(dian)波長(chang)密切相關，MIT這一(yi)款(kuan)接(jie)(jie)收器利用太赫(he)茲(zi)頻(pin)段(duan)來喚醒，太赫(he)茲(zi)由(you)(you)于(yu)波長(chang)極短，因此所需的(de)天線(xian)尺(chi)寸(cun)非常(chang)小，易(yi)于(yu)在(zai)較小的(de)空間內實現集成，大幅縮減器件的(de)尺(chi)寸(cun)。
MIT研究人員(yuan)提到：通(tong)過使用(yong)太赫茲(zi)頻(pin)率，我們(men)可(ke)(ke)(ke)以制(zhi)造(zao)出(chu)僅幾百微米(mi)的天(tian)線(xian)，這(zhe)是一(yi)個非(fei)常(chang)(chang)小的尺寸(cun)，這(zhe)意味(wei)著我們(men)可(ke)(ke)(ke)以將這(zhe)些天(tian)線(xian)集(ji)(ji)成到微型芯(xin)片上，從而創建完全集(ji)(ji)成的解決方案(an)，最終這(zhe)使我們(men)能夠打造(zao)一(yi)款非(fei)常(chang)(chang)微型化(hua)的喚醒接收器，它可(ke)(ke)(ke)以連接小型傳感器或無線(xian)電設備(bei)。
雖(sui)然這款芯(xin)片(pian)(pian)上集成了兩(liang)個天線，但其尺寸(cun)也僅(jin)有(you)1.54平方毫米(mi)，是常見(jian)的(de)(de)喚醒接收(shou)器(qi)尺寸(cun)的(de)(de)十分(fen)之(zhi)一。而且研究(jiu)人員利用這款喚醒接收(shou)器(qi)驗證(zheng)了與(yu)數米(mi)外(wai)信號源的(de)(de)有(you)效(xiao)的(de)(de)無(wu)線通信，展示了這款芯(xin)片(pian)(pian)能夠用于微型傳感(gan)器(qi)的(de)(de)有(you)效(xiao)范圍。
目(mu)前，不少(shao)采(cai)用MEMS工藝的(de)(de)傳感器的(de)(de)尺(chi)寸也(ye)可(ke)以做到毫米級，與這(zhe)款(kuan)喚醒接收器的(de)(de)集成，能夠支持大量需要小尺(chi)寸器件的(de)(de)物聯網場景。
(2)極低功耗，能夠適應多樣化供電方案
由于(yu)太(tai)赫茲頻段(duan)較高，因此(ci)太(tai)赫茲調制(zhi)過(guo)程較為復雜。MIT研(yan)究人(ren)員認(ren)為，通過(guo)混頻調制(zhi)的(de)(de)形勢，會消耗(hao)(hao)大量的(de)(de)功(gong)率，不利于(yu)接收器低功(gong)耗(hao)(hao)工(gong)作。研(yan)究人(ren)員們開(kai)發了(le)一種零功(gong)耗(hao)(hao)檢測(ce)(ce)器，可以在(zai)不需要(yao)混頻的(de)(de)情況(kuang)下檢測(ce)(ce)太(tai)赫茲電磁波，其探測(ce)(ce)器采用一對微型(xing)晶體管作為天(tian)線，消耗(hao)(hao)的(de)(de)功(gong)率非(fei)常小。
一旦接收到信(xin)號(hao)，他們開發(fa)的芯片會(hui)放(fang)大(da)太赫茲信(xin)號(hao)，然后將模(mo)擬數(shu)據轉換為數(shu)字(zi)信(xin)號(hao)進行處理(li)。這個數(shu)字(zi)信(xin)號(hao)攜帶一個令牌(pai)(pai)，它是一串0和1組成(cheng)的字(zi)符串，如果令牌(pai)(pai)與喚醒接收器的令牌(pai)(pai)相(xiang)對應(ying)，那(nei)么將激活設(she)備。
在多種技術的(de)(de)加持下，這一芯(xin)片的(de)(de)工作電(dian)壓為0.8V，功耗為2.88微(wei)瓦。在這一功耗水平下，不論是采(cai)用微(wei)型電(dian)池(chi)，還是采(cai)用環境能力(li)采(cai)集的(de)(de)方案(an)，均能對其形(xing)成有(you)效支(zhi)持。
(3)加入身份驗證，保證安全機制
低功耗(hao)的(de)芯片也不會忘記設置安全機制。在大多數喚醒接(jie)收器中，同一個令牌(pai)(pai)會多次(ci)(ci)重(zhong)復使用，給(gei)了竊聽攻(gong)擊者可乘之機。破解令牌(pai)(pai)后，黑客(ke)可以發送信號進行所謂的(de)拒絕睡眠攻(gong)擊，一次(ci)(ci)又一次(ci)(ci)地激(ji)活設備。
研(yan)究人員解釋，有了(le)喚醒接(jie)收(shou)器(qi)，設備的壽(shou)命原本(ben)可以(yi)從一天(tian)(tian)提高到一個月，但攻擊(ji)者(zhe)可以(yi)使用拒(ju)絕睡眠的攻擊(ji)，在(zai)不到一天(tian)(tian)的時間內耗盡整個電(dian)池壽(shou)命。因此(ci)，MIT研(yan)究人員在(zai)喚醒接(jie)收(shou)器(qi)中(zhong)加(jia)入了(le)身份驗證(zheng)模塊，拒(ju)絕攻擊(ji)。
這一(yi)身份(fen)驗證模塊是利用(yong)算法對設備(bei)的(de)令牌進行隨(sui)機化，每次使(shi)用(yong)與可信(xin)發送(song)(song)者(zhe)共享的(de)密(mi)(mi)(mi)鑰。這個密(mi)(mi)(mi)鑰的(de)作用(yong)就像密(mi)(mi)(mi)碼(ma)，如(ru)果發送(song)(song)者(zhe)知(zhi)道密(mi)(mi)(mi)碼(ma)，就可以用(yong)正(zheng)確(que)(que)的(de)令牌發送(song)(song)信(xin)號。研(yan)究人(ren)員使(shi)用(yong)一(yi)種輕(qing)量級加密(mi)(mi)(mi)技術實現了這種密(mi)(mi)(mi)鑰，該(gai)技術確(que)(que)保整個身份(fen)驗證過(guo)程只需額外消(xiao)耗(hao)幾納瓦的(de)功率。
(4)進一步提升的通信效率
研究人員向(xiang)喚醒接(jie)收器(qi)發送(song)太(tai)赫茲(zi)信(xin)號(hao)進行了測(ce)試(shi)，同時不斷增加芯片和太(tai)赫茲(zi)源之間的距(ju)離。通過這(zhe)種方(fang)式，他們測(ce)試(shi)了這(zhe)款(kuan)接(jie)收器(qi)的靈敏度，即設備成(cheng)功檢測(ce)信(xin)號(hao)所需要的最小(xiao)信(xin)號(hao)功率，最終(zhong)實(shi)驗是比現有接(jie)收器(qi)遠5-10米的接(jie)收距(ju)離，在1.02kbps的數據速率下保持低至-48dBm的靈敏度。
為(wei)了達到最有效的結果，太(tai)赫茲(zi)信(xin)號(hao)(hao)需要直接擊中探測器(qi)，如果芯片處于一個(ge)傾斜角(jiao)度，將(jiang)丟失(shi)部分信(xin)號(hao)(hao)。因此(ci)，研究人員將(jiang)他們開(kai)發的接收器(qi)與太(tai)赫茲(zi)波束可控陣(zhen)列配對，以精確地引導太(tai)赫茲(zi)信(xin)號(hao)(hao)。通過(guo)這種方(fang)式(shi)，能夠(gou)以最小的信(xin)號(hao)(hao)損耗發送(song)到多個(ge)芯片。
未來，研(yan)究人員希(xi)望解(jie)決(jue)信號衰減的問(wen)題。如果(guo)他們(men)能(neng)找到一種方法(fa)，在接(jie)收器(qi)芯片輕微移動或傾斜(xie)時保持信號強度，就能(neng)進一步提高這些器(qi)件的性能(neng)。他們(men)還(huan)將在非常小(xiao)的傳感器(qi)中驗(yan)證這一喚(huan)醒接(jie)收器(qi)，并(bing)對該(gai)技術(shu)進行微調，以便應用于(yu)現(xian)實世界(jie)的設(she)備。
面向6G的無源物聯網系統
當然(ran)，僅僅有(you)了基(ji)于(yu)太(tai)赫(he)茲(zi)(zi)的接收芯片還不足以完全支(zhi)(zhi)持(chi)無源物(wu)聯網(wang)(wang)系統(tong)的運行。MIT的研究團隊也(ye)表示他們已建立起(qi)一系列技術組合，能(neng)夠支(zhi)(zhi)持(chi)微(wei)型、超低功耗的傳感物(wu)聯網(wang)(wang)系統(tong)，這些技術組合中包括(kuo)基(ji)于(yu)太(tai)赫(he)茲(zi)(zi)的反向散射(she)通信、能(neng)量(liang)采集(ji)技術和太(tai)赫(he)茲(zi)(zi)波束(shu)管理(li)等(deng)，在(zai)能(neng)量(liang)管理(li)、數據傳輸等(deng)方面打下(xia)基(ji)礎。
截至當前，3GPP R18已將無(wu)源物(wu)(wu)聯(lian)網(wang)列為研究課題，預(yu)計R19版(ban)本中將形成首個基于蜂窩(wo)網(wang)絡的無(wu)源物(wu)(wu)聯(lian)網(wang)標準(zhun)，屆時5.5G網(wang)絡能夠(gou)支持無(wu)源物(wu)(wu)聯(lian)網(wang)的能量采集、反向散(san)射等。
目(mu)前，全球(qiu)主(zhu)要經濟(ji)體(ti)(ti)已啟動了6G的(de)前期研究，采用太赫(he)茲通(tong)信技術(shu)已成為一(yi)個共識(shi)。根據IMT 2030(6G)推進(jin)組發布的(de)《6G總體(ti)(ti)愿景(jing)與(yu)潛在關(guan)鍵技術(shu)白皮書》，太赫(he)茲頻段(0.1~10THz)位于微波與(yu)光波之間，頻譜資(zi)源極為豐富，具有傳輸(shu)速率高、抗干擾能力強和易于實現(xian)通(tong)信探(tan)測一(yi)體(ti)(ti)化(hua)等特點，重點滿足Tbps量(liang)級(ji)大容量(liang)、超高傳輸(shu)速率的(de)系(xi)統需求。其中，微小尺(chi)寸通(tong)信(片間通(tong)信及(ji)納米通(tong)信)是一(yi)個潛在的(de)應(ying)用場景(jing)，而小型化(hua)、低成本、高效率的(de)太赫(he)茲收(shou)發架構是亟待解決的(de)技術(shu)問題。
本次MIT團隊推出的新型接收器，可以說是太赫茲通信器件的一個突破。“萬物智聯，數字孿生”是(shi)未(wei)來(lai)6G的(de)(de)愿景，無(wu)源物聯(lian)(lian)(lian)網作(zuo)為海量設備(bei)連(lian)接(jie)的(de)(de)基礎，也(ye)是(shi)未(wei)來(lai)6G標準的(de)(de)重點方向之(zhi)一。基于太赫茲(zi)的(de)(de)微小尺寸、超低功(gong)耗通信構成了6G無(wu)源物聯(lian)(lian)(lian)網技術的(de)(de)組成部(bu)分，在未(wei)來(lai)6G太赫茲(zi)商(shang)用后，能夠顯著發揮作(zuo)用，充分利用6G太赫茲(zi)基礎設施，擴大無(wu)源物聯(lian)(lian)(lian)網涵蓋的(de)(de)范圍(wei)，推動6G網絡“應聯(lian)(lian)(lian)盡(jin)聯(lian)(lian)(lian)”的(de)(de)實現。
當(dang)然，太赫(he)茲通信需要解決的關鍵核(he)心技(ji)術及難點問題(ti)還很多，MIT本次探索(suo)可以說是為6G無(wu)源(yuan)物聯系統提供了有益參(can)考，相信未來針對6G無(wu)源(yuan)物聯會產生(sheng)大量的創(chuang)新，助推“萬(wan)物智聯，數字孿生(sheng)”愿景的到來。
